1.4. Намоточные элементы

1.4.1. Катушки индуктивности

Катушки индуктивности представляют собой моточные изделия и, за исключением дросселей, как правило не являются комплектующими изделиями, как резисторы и конденсаторы. Они изготовляются заводами под конкретное устройство с требуемыми параметрами.

Катушки индуктивности имеют цилиндрическую или спиральную форму витков и выполняются как однослойными, так и многослойными. Характер намотки зависит от назначения катушки и для уменьшения межвитковых емкостей витки укладывают на каркас с определенным шагом или применяют специальные способы намотки, когда витки укладывают не параллельно, а под некоторым углом друг к другу (универсальная намотка).

Независимо от конструкции катушки индуктивности, их обычно обозначают в виде 3-4 полуокружностей, как показано на рис. 11.

Рис. 11. Условные обозначения катушек индуктивности и конструкции

В зависимости от конфигурации схемы выводы обмоток направляют либо в одну сторону, либо в разные, а если катушки имеют отвод, то его показывают либо в месте соединения полуокружностей, либо в середине одной из них (рис. 11, L4).

Буквенно-цифровое позиционное обозначение катушек и дросселей состоит из буквы «L» и порядкового номера по схеме, а рядом часто указывают значение индуктивности в генри – (Гн), миллигенри – (мГн) или микрогенри (мкГн).

В цепи переменного тока катушка индуктивности обладает реактивным сопротивлением с добротностью :

,    .

1.4.2. Дроссели

Дроссель ‑ электромагнитное устройство, предназначенное для использования в качестве индуктивного сопротивления в цепях переменного тока. Их основное назначение ‑ обеспечить большое сопротивление для переменных токов и малое для постоянных.

Конструктивно дроссель (рис.12) состоит из магнитопровода, выполненного из электротехнической стали или феррита, на котором располагается 1 или 2 обмотки (основная и компенсационная).

Рис. 12. Условные графические обозначения дросселей

Компенсационная обмотка при необходимости может соединяться с основной так, чтобы направления их намагничивающих сил совпадали (согласное включение) или были направлены встречно (встречное включение).

При согласном соединение индуктивность дросселя увеличивается, а при встречном уменьшается.

Различают дроссели НЧ и ВЧ. Дроссели НЧ обычно используют в выпрямительных устройствах большой мощности для создания фильтров, сглаживающих пульсации при токах нагрузки А.

2. Физика контакта

2.1. Модель контакта

Явление проводимости металлов состоит в том, что благодаря наличию свободных электронов создаются благоприятные условия для протекания тока. Физические процессы, которые наблюдаются при соединении металлических тел, гораздо сложнее, чем при протекании тока по металлам. При механическом соприкосновении двух металлов не может произойти такое их сближение, при котором внутренние структуры соединяются, образуя единое целое при прохождении тока. Основная причина заключается в том, что поверхности металлов имеют шероховатости, размер которых значительно превышает размер молекул и атомов металлов, а также в том, что в результате воздействия окружающей среды они никогда не бывают абсолютно чистыми. На поверхности адсорбируются молекулы кислорода и других газов, многие металлы вступают во взаимодействие с газами окружающей среды.

Контакт между двумя металлами изображён на рисунке 13, где приняты следующие обозначения: 1 и 6 ‑ металлические тела, имеющие шероховатые поверхности; 2 ‑ плёнки на их поверхностях, 3 ‑ точки прямого соприкосновения металлов, в которых удалены плёнки, но присутствует металлическая проводимость; 4 ‑ точки соприкосновения металлических поверхностей через тонкие поверхностные плёнки, в которых реализуются другие виды проводимости; 5 ‑ область отсутствия контакта.

Рис. 13. Контакт между двумя металлами

Для получения контакта целесообразно использовать такие металлы, которые не вступают во взаимодействие с внешней средой. Тогда механическое соединение металла с металлом даёт хороший контакт в отдельных точках поверхности. Через эти точки и осуществляется проводимость. Если контактируемые металлы покрыты окисными плёнками. Тогда в результате механических усилий осуществляется разрушение этих плёнок и получается металлическая проводимость. Окисные плёнки могут быть также разрушены при увеличении напряжения, приложенного к контакту.

В состав контактного элемента, помимо контактной пары, входит большое количество конструктивных элементов, предназначенных для того, чтобы в совокупности обеспечить создание законченного в конструктивном и технологическом отношении устройства, способного выполнять определённые функции.

Основными компонентами контактных элементов являются: пружина, изоляционное основание и узлы перемещения, защиты и крепления. Пружина создает необходимое усилие контактирования и определяет переходное сопротивление, его стабильность и надёжность. Изоляционное основание обеспечивает механическое крепление и электрическую изоляцию. Оно приводит к возникновению дополнительных емкостей и электрических проводящих цепей. Конструкция и точность изготовления изоляционных оснований могут влиять на контактное усилие и его стабильность. Узел перемещения обеспечивает необходимые пределы и точность перемещения при контактировании. Узел защиты предназначен для снижения степени воздействия на контактный элемент факторов окружающей среды, узел крепления – для обеспечения возможности механической установки.

Основной характеристикой контактных элементов является контактное сопротивление Оно определяется переходным сопротивлением численное значение которого, обусловлено физическими явлениями в области соприкосновения двух металлических тел, и электрическим сопротивлением самих металлических частей контактной пары. На высоких частотах контактное сопротивление состоит из индуктивной, емкостной и активной составляющих и существенно отличается от сопротивления по постоянному току.

Упругие элементы совместно с изоляционным основанием и механизмом перемещения обуславливают важную характеристику контактного устройства – контактное усилие которое не является определяющим при функционировании контактного устройства, но сильно влияет на его свойства.

Характеристиками контактного устройства, также определяющими его свойства, являются максимальный ток, значение которого зависит от того, в каком состоянии происходит соединение (при наличии или отсутствии тока), и максимальное и минимальное напряжение. Максимальное напряжение ограничивается пробоем при размыкании цепи с током, а минимальное – физическими процессами, наблюдающимися при соприкосновении двух металлических поверхностей.

В связи со сложностью процессов, происходящих при соприкосновении поверхностей, при каждом новом замыкании значение а следовательно, и изменяется, то есть является случайной величиной, которую удобно характеризовать относительным среднеквадратичным отклонением где ‑ среднеквадратичное отклонение; – математическое ожидание.

При действии дестабилизирующих факторов, прежде всего таких, как температура и механические воздействия, также наблюдаются случайные изменения , которые можно характеризовать относительным среднеквадратичным отклонением. Контактное сопротивление изменяется и при длительном функционировании устройства.

Наличие элементов конструкции приводит к появлению большого числа паразитных электрических параметров контактного устройства. Действительно, в разомкнутом состоянии между контактной парой имеется ёмкость и сопротивление изоляции Сопротивление изоляции, определяется состоянием контактирующих поверхностей и материалом изоляционных оснований. Кроме того, контактная пара имеет паразитную ёмкость относительно земли.

На рисунке 14 приведена эквивалентная схема контакта в замкнутом состоянии, где обозначены: и ‑ индуктивности каждого контакта замкнутых частей, и ‑ ёмкости относительно земли каждого контакта; и ‑ сопротивления замкнутых металлических частей; – переходное сопротивление.

Рис. 14. Эквивалентная схема контакта в замкнутом состоянии

На рисунке 15 приведена эквивалентная схема разомкнутого контакта, где и ‑ индуктивности каждого контакта разомкнутых частей; и ‑ ёмкости относительно земли каждого контакта; и ‑ сопротивления разомкнутых металлических частей; ‑ сопротивление изоляции; ‑ ёмкость разомкнутых контактов.

Рис. 15. Эквивалентная схема контакта в разомкнутом состоянии

На высоких частотах в ёмкостях и могут происходить заметные потери. Если контактное устройство размыкает несколько цепей, то необходимо учитывать паразитные ёмкости и сопротивления изоляции между разными контактными парами, что на схеме замещения не показано, поскольку для упрощения они даны для одной контактной пары.